KR20110026750A

KR20110026750A - 구상화 열처리 생략형 강재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20110026750A
Application number: KR1020090084529A
Authority: KR
Inventors: 이재승; 이유완; 안승규; 김재환
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2009-09-08
Filing date: 2009-09-08
Publication date: 2011-03-16
Also published as: KR101253813B1

Abstract

본 발명은 최종 제품 제조를 위한 냉간성형시 다이스의 수명저하를 막고 소재 형상 제조가 용이하도록 구상화 열처리 공정을 생략할 수 있는 강재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

이를 위해서, 본 발명은 중량%로, C: 0.6~1.4%, Si: 1.0~3.5%, Mn: 0.3~1.5%, Cr: 0.8~1.5%, Ni: 0.01~1.0%, B: 0.001~0.02%, O: 0.0015% 이하, Al: 0.001~0.1%, P: 0.02% 이하, S: 0.02% 이하, N: 0.001~0.02%를 포함하고, V: 0.005~0.5% 및 Ti: 0.005~0.5%의 1종 또는 2종을 포함하며, 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 페라이트를 기지조직으로 하고 구상화 세멘타이트를 포함하는 구상화 열처리 생략형 강재 및 그 제조방법을 제공한다.

3상 영역, 구상화 열처리, 페라이트, 세멘타이트

Description

구상화 열처리 생략형 강재 및 그 제조방법{STEEL WITHOUT SPHEROIDIZING HEAT TREATMENT AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 구상화 열처리 생략형 강재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 최종 제품 제조를 위한 냉간성형시 다이스의 수명저하를 막고 소재 형상 제조가 용이하도록 구상화 열처리 공정을 생략할 수 있는 강재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근에 환경오염이 점차 심각해지고 그에 따른 문제들이 대두됨에 따라 이를 효율적으로 억제하기 위하여 철강제품에 대한 공정생략 및 공정 단순화 등에 대한 요구가 증가하고 있고, 이러한 요구를 충족시키기 위해 각 철강사에서는 CO₂ 절감을 위해 각고의 노력을 경주하고 있다.

한편, 선재 제품을 제조하는 공정에서 1차 링형태로 제조된 선재를 냉간 압조용 강선(CHQ) 및 베어링 등의 형상 제조시 냉간성형을 실시하게 되는데, 소재의 강도가 높으면 다이스 수명저하 및 다이스 파손 등의 문제로 인해 생산성 저하와 제조원가 상승 등의 문제로 연결된다.

이러한 문제점을 경감시키기 위해 열처리를 실시하게 되는데, 이러한 열처리를 구상화 연화 열처리라 한다. 1차 제조된 강재의 미세조직은 소재내 탄소 첨가량에 따라 완전 펄라이트 혹은 펄라이트 및 초석 세멘타이트 조직을 가지며, 상기 구상화 연화 열처리 동안 판상형의 펄라이트 조직내 세멘타이트는 분절 및 구형화되어 소재 강도의 저하가 발생하게 되는 것이다. 이와 같은 이유로 구상화 열처리를 실시하면, 소재 강도 저하로 냉간성형이 원활해지는 장점이 있다.

그러나 이러한 구상화 열처리는 장시간, 일반적으로 20시간 이상동안 처리해야 하기 때문에 열처리 비용이 많이 들고, 생산시간 연장이라는 불리한 측면이 존재하는 문제가 있다.

본 발명의 일측면은 기존 소재 대비 동등한 물성을 가지면서, 구상화 열처리 공정을 생략하여 원가절감 및 생산시간을 크게 단축시킬 수 있는 강재 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 중량%로, C: 0.6~1.4%, Si: 1.0~3.5%, Mn: 0.3~1.5%, Cr: 0.8~1.5%, Ni: 0.01~1.0%, B: 0.001~0.02%, O: 0.0015% 이하, Al: 0.001~0.1%, P: 0.02% 이하, S: 0.02% 이하, N: 0.001~0.02%를 포함하고, V: 0.005~0.5% 및 Ti: 0.005~0.5%의 1종 또는 2종을 포함하며, 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 페라이트를 기지조직으로 하고 구상화 세멘타이트를 포함하는 구상화 열처리 생략형 강재를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 조성을 만족하는 강편을 열간압연하는 단계;

상기 열간압연 후 레잉 헤드(Laying Head)를 통과시켜 권취하는 단계; 및

상기 권취 후 냉각하는 단계를 포함하는 구상화 열처리 생략형 강재의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 강재는 냉간 성형시 별도의 구상화 연화 열처리를 필요하지 않으므로, 다이스의 수명저하를 막고, 소재의 형상을 용이하게 제조하여 원가절감 및 생산시간의 단축이 가능하다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

이하, 본 발명의 조성범위에 대하여 상세히 설명한다(이하, 중량%).

탄소(C)는 소재의 강도를 확보하기 위하여 첨가되는 필수적인 원소이다. 상기 C의 함량이 0.6% 미만인 경우에는 강재에 요구되는 최소강도를 확보할 수 없다. 또한, C 함량이 1.4%를 초과하는 경우에는 초석 세멘타이트의 억제가 불가능하여 소재의 연성이 현저히 떨어지게 되므로, 그 함량은 0.6~1.4%가 바람직하다.

실리콘(Si)의 함량은 1.0~3.5%가 바람직하다. Si는 그 첨가량이 증가함에 따라 Ac1 직하에 페라이트(α), 세멘타이트(θ), 오스테나이트(γ) 3상 영역을 증가시킨다. 즉 도 2에 나타난 바와 같이, Si의 함량이 1.0%인 경우와 2.0%인 경우를 비교할 때, 2.0%에서 3상 영역이 넓게 형성되는 것을 확인할 수 있다.

본 발명에서는 이 3상 영역에서의 사상 압연시 판상 세멘타이트를 분절시킴으로 구상화 생략을 위한 구상화 탄화물 시드(seed)를 제공하는 역할을 한다. 상기 Si의 함량이 1.0% 미만에서는 3상역 구간이 너무 좁게 형성되고, 사상압연 온도가 750℃ 이하로 낮아져 높은 압연부하가 발생된다. 또한, 고용강화 원소인 Si 첨가량이 3.5% 초과하게 되면 소재의 강화로 인해 압연부하가 증가하므로 Si의 함량은 1.0~3.5%으로 하는 것이 바람직하다.

망간(Mn)의 함량은 0.3~1.5%가 바람직하다. Mn은 강재내에 존재할 경우 강재의 소입성을 향상시켜 강도를 확보하는데 유익한 원소이다. 따라서, 상기 Mn 함량이 0.3% 미만인 경우에는 요구되는 충분한 강도 및 소입성을 얻기 어렵고, 반대로 1.5%를 초과하는 경우에는 인성이 저하하므로 상기 Mn의 함량은 0.3~1.5%로 하는 것이 바람직하다.

크롬(Cr)의 함량은 0.8~1.5%가 바람직하다. Cr은 표면탈탄 방지, 내산화성, 템퍼링 연화성 및 소입성을 확보하는데 유용한 원소이다. 그러나, Cr 함량이 0.8% 미만인 경우에는 충분한 내산화성, 템퍼 연화성, 표면 탈탄 및 소입성 효과 등을 확보하기 어렵다. 또한, 1.5%를 초과하는 경우에는 변형저항성의 저하를 초래하여 오히려 강도저하로 이어질 수 있다.

니켈(Ni)의 함량은 0.01~1.0%가 바람직하다. 상기 Ni는 강재의 인성을 효율적으로 개선할 수 있다. 따라서 Ni의 함량이 0.01% 미만인 경우에는 그 효과가 충분하지 못하고, 1.0%를 초과하는 경우에는 잔류 오스테나이트 양이 증가하여 피로수명을 감소시키고, 고가인 Ni 특성으로 인하여 급격한 제조 단가의 상승을 유발하므로 그 첨가량은 0.01~1.0%로 제한할 필요가 있다.

보론(B)의 함량은 0.001~0.02%가 바람직하다. 상기 B는 질소 및 탄소 등과 결합하여 보론계 탄/질화물을 고온에서 형성할 수 있으므로, 사상압연시 펄라이트 생성과 냉각시 구상화 생성입자의 시드(seed) 역할을 하여 구상화를 촉진시킬 수 있다. 이때, 그 함량이 0.001% 미만에서는 충분한 탄/질화물의 생성이 어렵고, 0.02%을 초과하게 되면 탄/질화물계 석출물이 조대화되어 구상화 촉진입자로서의 역할이 사라지고, 오히려 피로특성에 악영향을 미치게 된다.

산소(O)의 함량은 0.0015% 이하가 바람직하다. 상기 O의 함량은 0.0015중량% 이하로 한정하는데, 0.0015중량%를 초과하면 산화물계 비금속 개재물이 조대하게 형성되어 피로수명이 급격히 저하하게 되기 때문이다.

알루미늄(Al)의 함량은 0.001~0.1%가 바람직하다. 상기 Al의 첨가는 결정 입도를 미세화하여 소재인성을 향상시킨다. 상기 Al 함량이 0.001% 미만에서는 결정립 미세화 효과가 사라지게 되고, 0.1%를 초과하게 되면 산화물계 석출물의 생성량이 증대하는 동시에 그 크기도 조대화되어 피로특성에 악영향을 미치게 된다.

인(P) 및 황(S)의 함량은 각각 0.02% 이하가 바람직하다.

상기 P와 S의 함량은 0.02% 이하로 한정하는데, P는 결정립계에 편석하여 인성을 저하시키기 때문에 그 상한을 0.02%로 제한하고, S는 저융점 원소로 입계 편석하여 인성을 저하시키고 유화물을 형성시켜 스프링 특성에 유해한 영향을 미치기 때문에, 그 상한을 0.02중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

질소(N)의 함량은 0.001~0.02%가 바람직하다. 상기 N은 붕소와 반응하여 BN 등의 질화물을 형성시켜 펄라이트 생성과 구상화 입자생성시 시드(seed) 역할을 하여 구상화를 촉진시키는 원소이다. 상기 N의 함량이 0.001% 미만에서는 질화물 생성이 어렵고, 0.02%를 초과하게 되면 질화물계 석출물이 조대화되어 구상화 촉진입자로서의 역할이 사라지고, 오히려 피로특성에 악영향을 미치게 된다.

바나듐(V) 0.005 ~ 0.5% 및 티탄(Ti) 0.005 ~ 0.5%의 1종 또는 2종을 포함한다. 상기 V 및 Ti는 단독 또는 복합첨가에 의해 탄/질화물 형성원소로, 그 함량을 각각 0.005 ~ 0.5%로 하는 것이 바람직하다. 그 함량이 적은 경우에는 V 및 Ti계 탄/질화물의 석출이 줄어들어 결정립도 제어의 개선효과가 충분하지 못하게 된다. 그 함량이 높은 경우에는 제조 단가가 급격히 상승하고 석출물에 의한 개선효과가 포화하며, 오스테나이트 열처리시 모재에 용해되지 않은 조대한 합금 탄화물량이 증가하게 되어 비금속 개재물과 같은 작용을 하기 때문에 피로특성 및 석출강화 효과가 저하하게 된다.

나머지는 Fe 및 불가피한 불순물로 조성된다.

이하, 본 발명의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다. 한편, 본 발명의 제조공정을 열처리 시간과 열처리 온도의 관계로 간략히 도 3의 그래프에 나타내었다.

본 발명은 상기 조성을 만족하는 강편을 가열한 후, 열간압연한다. 본 발명에서의 가열 및 열간압연은 통상의 선재 압연 방법에 의한다.

다만, 상기 열간압연시 사상압연(finish milling)은 아래과 같이 제한한다.

도 3에 나타난 바와 같이, 본 발명에서의 열간압연시 사상압연(funish milling)은 페라이트, 세멘타이트 및 오스테나이트 3상 영역이 존재하는 온도범위에서 행한다. 보다 상세하게는 750℃이상, Ac1 온도 이하에서 행하는 것이 바람직하다.

상기 3상역은 페라이트 및 세멘타이트로 구성된 펄라이트 조직과 고온조직인 오스테나이트로 구성되어 있으므로, 3상역에서의 사상압연시에는 그 높은 변형량을로 펄라이트 조직의 생성을 촉진하여 펄라이트 분율이 증가하고, 펄라이트 조직내 세멘타이트의 분절이 가능하다. 이 분절된 세멘타이트는 냉각 과정에서 3상역내의 오스테나이트상이 구상형 세멘타이트로의 성장을 돕는 역할을 한다.

또한 상기 사상압연시 온도 편차가 20℃ 이하가 되도록 행하는 것이 바람직하다. 온도 편차가 20℃를 초과하게 되면, 3상역내의 펄라이트 조직의 분율의 편차가 커지게 되어, 세멘타이트의 균질한 분율을 얻는 것이 곤란하게 되므로 조직내 큰 물성편차를 유발할 수 있다.

상기 열간압연된 강재는 레잉 헤드(Laying Head)를 통과시켜 권취한다. 이때 레잉 헤드를 통과시켜 권취하는 온도는 800~900℃에서 행하는 것이 바람직하다.

상기 레잉 헤드 온도는 사상압연에서 분절된 구상화 세멘타이트로부터 석출하는 오스테나이트상의 세멘타이트와 관련이 있다. 그 온도가 900℃를 초과하게 되면 분절 세멘타이트의 재용해가 일어나 구상화 석출을 위한 시드(seed)가 사라지게 되고, 800℃ 미만의 너무 낮은 온도에서는 오스테나이트로부터 펄러이트 조직으로 상변태되는 구동력이 너무 높아지게 되어 판상형 세멘타이트 조직으로 변태될 수 있는 문제가 있다.

상기 레잉 헤드를 통과시켜 권취한 후, 평균냉각속도 3℃/s 이하로 냉각한다. 평균냉각속도를 제어하는 것은 분절된 세멘타이트 입자가 용해되지 않고, 서냉을 통해 구상화 입자의 시드(seed)로서 역할을 할 수 있도록 하기 위함이다.

이하, 본 발명의 강재에 대하여 상세히 설명한다.

상기 조성 및 제조방법에 의해 제조된 강재는 페라이트를 기지조직으로 하고, 구상화 세멘타이트 조직을 포함한다.

또한 본 발명의 강재는 경도차이가 비커스 경도(Hv)로 220이하를 만족하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 비커스 경도가 140~220을 만족한다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 다만, 본 발명은 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

(실시예)

하기 표 1과 같은 조성(중량%, 다만 N와 O은 ppm)을 가지는 강들을 주조하고 강편을 제작한 후, 하기 표 2에 나타낸 다양한 사상압연, 레잉 헤드(Laying head) 온도 및 냉각속도를 변화시켜 가면서 강재를 제조하였다.

이와 같은 조건으로 제조된 강선재로부터 임의의 부위를 선택하여 소재의 미세조직을 관찰하였고, 구상화 정도에 따른 소재경도의 변화를 비커스 경도계를 이용하여 측정하고 그 결과를 표 2에 나타내었다. 이때 정확한 소재의 경도 측정을 위해 5개 샘플을 채취하여 얻어진 그 평균값을 평균 경도값으로 정하였다.

구분	C	Si	Mn	Ni	Cr	V	Ti	B	P	S	Al	N	O
비교예1	0.80	1.3	0.70	0.5	1.2	0.30	0.010	-	0.009	0.012	0.010	50	16
비교예2	0.90	1.7	0.80	0.3	1.1	0.20	0.020	0.003	0.008	0.010	0.008	52	17
비교예3	1.00	1.8	0.85	0.6	1.2	0.25	0.017	0.002	0.007	0.019	0.004	53	18
발명예1	0.70	2.0	0.70	0.5	1.0	0.20	0.018	0.002	0.008	0.009	0.008	49	18
발명예2	0.80	2.5	0.70	0.4	1.2	0.10	0.015	0.003	0.007	0.008	0.009	51	19
발명예3	1.00	1.5	0.50	0.5	1.0	0.10	0.019	0.003	0.009	0.005	0.009	53	17

구분	사상압연온도 (℃)	Laying head 온도 (℃)	평균냉각속도 (℃/s)	소재 평균경도 / Hv
비교예1	780	805	0.5	254
비교예2	820	860	0.5	340
비교예3	785	805	4	350
발명예1	780	805	0.7	163
발명예2	785	810	0.5	185
발명예3	775	805	0.5	202

상기 표 2의 결과로부터 알 수 있듯이, 비교예 1의 경우는 Hv 254인 결과로, 이러한 결과는 유효한 압연 및 냉각조건하에서 펄라이트내 판상 세멘타이트의 분절이 발생함에도 불구하고, 낮은 Si 첨가량으로 Ac1 직하의 페라이트, 세멘타이트 및 오스테나이트의 3개 상이 동시에 공존할 수 있는 온도구간이 충분히 넓지 않아, 이 구간에서 압연시 판상 세멘타이트 분절이 용이하지 않았던 것에 기인한 것으로 보인다. 또한, B 미첨가에 따라 구상화 시드(seed)인 보론계 탄/질화물 부재로 구상화 속도가 현저히 감소했을 것으로 판단된다.

또한, 비교예 2는 Hv 340으로서, 이러한 결과는 Ac1~Acm 이상의 높은 사상압연온도와 레잉 헤드(Laying head) 온도로 인해 펄라이트 즉, 판상 세멘타이트 생성이 없음으로 인해 구상화 시드(seed)의 생성이 불가한 것에 기인한 것으로 보인다.

마지막으로, 비교예 3의 경우에는 도 2에서 나타낸 바와 같이 안정된 3상 영역이 생성될 수 있는 화학조성과 판상 세멘타이트 분절이 용이한 압연조건을 가졌음에도 불구하고, 빠른 냉각속도로 인해 시드(seed)로부터 서서히 세멘타이트의 성장이 제어되지 못하고, 판상조직인 펄라이트 생성이 촉진되었기 때문에 Hv 350의 높은 경도값이 나타난 것으로 보인다.

이에 반해, 발명예 1~3에 나타난 바와 같이 충분한 Si 첨가로 충분한 온도구간역의 3상구간이 존재하고, 적절한 압연조건과 냉각속도로 구상화 시드(seed) 생성과 그 성장이 용이한 경우에는 소재 평균경도가 비교예 대비 50% 수준으로 현저히 감소하는 경향을 나타내었다.

한편, 도 3(a)는 비교예 3의 조직사진이고, 도 3(b)는 발명예 2의 조직사진으로 발명예 2는 비교예 3에 비해 구상화가 우수한 것을 확인할 수 있다.

도 1은 본 발명의 개념을 열처리 시간과 열처리 온도의 관계로 나타낸 그래프이다.

도 2는 Si함량에 따른 Fe-C상태도의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 3에서 도 3(a)는 비교예 3, 도 3(b)는 발명예 2의 조직사진을 나타낸 것이다.

Claims

중량%로, C: 0.6~1.4%, Si: 1.0~3.5%, Mn: 0.3~1.5%, Cr: 0.8~1.5%, Ni: 0.01~1.0%, B: 0.001~0.02%, O: 0.0015% 이하, Al: 0.001~0.1%, P: 0.02% 이하, S: 0.02% 이하, N: 0.001~0.02%를 포함하고, V: 0.005~0.5% 및 Ti: 0.005~0.5%의 1종 또는 2종을 포함하며, 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,

미세조직은 페라이트를 기지조직으로 하고 구상화 세멘타이트를 포함하는 구상화 열처리 생략형 강재.
청구항 1에 있어서,

상기 강재는 비커즈 경도(Hv)값이 140~220인 구상화 열처리 생략형 강재.
중량%로, C: 0.6~1.4%, Si: 1.0~3.5%, Mn: 0.3~1.5%, Cr: 0.8~1.5%, Ni: 0.01~1.0%, B: 0.001~0.02%, O: 0.0015% 이하, Al: 0.001~0.1%, P: 0.02% 이하, S: 0.02% 이하, N: 0.001~0.02%를 포함하고, V: 0.005~0.5% 및 Ti: 0.005~0.5%의 1종 또는 2종을 포함하며, 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강편을 열간압연하는 단계;

상기 열간압연 후 레잉 헤드(Laying Head)를 통과시켜 권취하는 단계; 및

상기 권취 후 냉각하는 단계

를 포함하는 구상화 열처리 생략형 강재의 제조방법.
청구항 3에 있어서,

상기 열간압연시 사상압연(finish milling)은 페라이트, 세멘타이트 및 오스테나이트의 3상역 온도범위에서 행하는 것을 포함하는 구상화 열처리 생략형 강재의 제조방법.
청구항 3 또는 4에 있어서,

상기 열간압연시 사상압연(finish milling)은 750℃~Ac1의 온도범위에서 행하고, 이때의 온도폭은 20℃ 이하인 것을 포함하는 구상화 열처리 생략형 강재의 제조방법.
청구항 3에 있어서,

상기 권취는 800~900℃의 온도범위에서 행하는 것을 포함하는 구상화 열처리 생략형 강재의 제조방법.
청구항 3에 있어서,

상기 냉각시 평균냉각속도는 3℃/s 이하로 냉각하는 것을 포함하는 구상화 열처리 생략형 강재의 제조방법.